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未完待续……

前言

由于本人是初二学生,已经把初中化学自学完毕。为了备考特长生和学习高中知识,报了 XES 的特长生短期班。因此我的目的和其他人不同,我仅仅需要:

既注重知识的学习,又注意思维的培养。

毕竟和今年初三中考的学生来讲,我知识的学习的时间还是 enough 的。

物质结构

原子结构

原子的表示

例如,质子数为$a$,中子数为$b$的原子$\text{X}$的表示为:

例如$\text{H}$的最常见同位素表示为$^1_1\text{H}$,而质量数为$12$的碳-$12$的表示为$^{12}_6\text{C}$。一般情况下,由于元素确定,质子数也确定,因此$^{12}_6\text{C}$也可表示为$^{12}\text{C}$。

我们把$a+b$称为元素$\text{X}$的质量数。

核素、同位素

一元素的质子数相同,中子数不同的同种元素称为元素的核素。

例如氕$^1_1\text{H}$或$\text{H}$,氘$^2_1\text{H}$或$\text{D}$和氚$^3_1\text{H}$或$\text{T}$都是氢的三种核素。

核素互为同位素。例如氕、氘互为同位素。

区分:同素异形体

同素异形体是指元素相同的不同单质。例如$\text{O}_2$与$\text{O}_3$。

注意:水$\text{H}_2\text{O}$和重水$\text{D}_2\text{O}$,虽然由同种元素组成,但是非单质,不为同素异形体。

拓展:放射性同位素

一些元素的核素具有放射性。反射出三种例子,这里讲两种。

  • $\alpha$粒子:反射出$^4_2\text{He}$即两中子两质子。

  • $\beta$粒子:反射出$^1_0 n$,即一中子。

核外电子

层数

电子层数命名:

1 2 3 4 5 6 7
$\text{K}$ $\text{L}$ $\text{M}$ $\text{N}$ $\text{O}$ $\text{P}$ $\text{Q}$
Laws

每一层,对于第$n$层,最多$2n^2$电子。

最外层最多$8$电子。

如何判断稀有气体的电子排布

例如稀有气体氪$\text{Kr}$,有$4$层电子。

从前往后281832
从后往前5032188
取最小值28188

即可判断。

化学键

化学键是原子之间的作用力使得原子组合成分子的力。

离子键

离子之间的相互作用力决定的。力的大小为:

其中$Q,q$分别为两离子的电荷数,$r$为举例,$k$为常量。

例如$\text{NaCl}$是由$\text{Na}^+$与$\text{Cl}^-$组成的,有吸引力,因此可以组成分子。

金属化合物一般都有离子键。

共价键

共用电子对

引入:

今天有两$\text{H}$原子,它们要想变成$\text{H}_2$分子,必须合在一起。

我们知道,原子都趋于达到相对稳定结构,在电子仅有$1$层的情况下,相对稳定是最外层有$2\text{e}^-$。现在每一$\text{H}$有$1\text{e}^-$,于是它们:

A:哎,那$\text{H}$,我们一起用一对电子吧。你我分别出$1\text{e}^-$。

B:好啊好啊,就让这对电子绕着我们一起转,我们假装达到相对稳定不就行了?

于是,$2\text{e}^-$绕着它们两原子核(也就两质子)转然后就相对稳定了……

原子核带有正电,电子带负电,他们之间有吸引力。吸引力作用到了原子核上,于是两$\text{H}$的原子核就到一起,两$\text{H}$原子就成一$\text{H}_2$。

除了引入中的$\text{H}$,一般的非金属化合物都用了共用电子对形成了共价键变成了分子。

结构式与电子式

既然有共用电子对,那么原子就会存在单电子。我们只需要把最外层电子的单电子凑成对就可产生共用电子对。

因此,我们需要了解不同原子的最外层单电子的情况,首先我们有:

最外层最多$8\text{e}^-$。

我们把原子最外层的电子用点$·$或差$\times$来表示,分别填在原子符号的上下左右四空,最多一空填两电子。

例如氖原子表示为$\text{Ne}$,其最外层电子有$8$,表示为

对于填不满的电子,一般先填上下左右,每空一电子,再补全每一空的第二个电子。例如$\text{C}$,最外层$4\text{e}^-$,电子式表示为,而$\text{O}$,最外层$6\text{e}^-$,电子式表示为

我们把每一空里面的双电子都删掉,单电子替换成$—$,就有了原子的结构式,例如$\text{O}$,其结构式为$—\text{O}—$。

那么结构式中的$—$就相当于单电子,两$—$连一起,就是共用电子对。例如两$\text{O}$原子组成氧气$\text{O}_2$,那么两氧原子「拉手」如图所示:

64f3xH.png

粉色代表「拉手」,把「拉起来的手」放在两原子的符号之间,其结构式为$\text{O}=\text{O}$。

下图是$\text{CO}_2$分子的结构组成示意($\text{C}$由于电子式为,因此有$4$个单电子,外层有四$—$,如图):

64h3kV.png

因此二氧化碳分子的结构式为$\text{O}=\text{C}=\text{O}$。

练习:写出$\text{H}_2,\text{H}_2\text{O},\text{CH}_4$的结构式

查看练习答案

分别为$\text{H}-\text{H},\text{H}-\text{O}-\text{H}$,

需要注意的是,像$\text{CH}_4$之类的化合物,其结构式有可能到天上去

同分异形体

分子式一样但结构不一样的物质称为同分异形体。

注意与同素异形体、同位素的区别。


把上面的$—$换成电子对$:$(即两电子),再补全原来就存在的电子,就是仅含有共价键化合物(简称共价化合物)的电子式。

例如$\text{H}_2$的电子式为$\text{H:H}$,$\text{O}_2$的电子式为

含有离子键的化合物称为离子化合物。

阳离子的电子式就是其分子式,例如$\text{Na}^+$既是钠离子的分子式,也是电子式。

例如$\text{NaCl}$的电子式为

练习:写出$\text{CO}_2,\text{NaOH}$的电子式。提示:氢氧化钠中既有离子键,也有共价键。

查看练习答案

分别为

注:由于$\text{CH}_4$的结构式为,于是其电子式为。注意这边的$\text{H}$补不全八电子。

从化学键理解化合价

离子键就是发生了电子的转移,因而得到电子带负电,显负价;失去电子带正电,显正价。例如$\text{NaCl}$,$\text{Na}$失去$1\text{e}^-$,显$+1$价;$\text{Cl}$得到$1\text{e}^-$,显$-1$价。

虽然共价键没有转移电子,但是电子确实出现了共用的情况。有的原子得电子能力强,和其共用的电子多,看上去「得到了电子」,显负价;其余显正价。

对于有些时候,例如单质$\text{H}_2$,电子式为$\text{H:H}$,两者很公平,都献出了自己的$1\text{e}^-$,因此两者的化合价均为$0$价。

但是还有一些情况,例如化合物$\text{CH}_4$,四氢原子的电子全部被仅仅一碳原子「抢走了」,不公平。因此此处$\text{C}$显$-4$价,$\text{H}$显$+1$价。

元素周期律

简介

元素周期表周期代表电子层数,族代表最外层的电子数。$1\sim 3$称为短周期,$4\sim 7$称为长周期。

$\text{VIIA}$族为卤族,其中的元素为卤素。

原子半径比较

离子半径

看电荷!容易理解:电子多,半径大,因此阴离子的半径大于阳离子,而电荷越多的阴离子半径越大。例如:

原子半径

标准比较方法

先比电子层数$n$,$n$大,$r$大。

再比较质子数(核电荷数)$Z$,$Z$大,$r$小。

最后比较电子数,电子越多,原子半径越大。

利用元素周期表比较法

结合这些方法,我们可以得到:

元素周期表越往下,电子层数(周期)越大,原子半径越大。

元素周期表越往左,核电荷数越小,原子半径越大。

因此在元素周期表中,越往下、左的原子半径越大。

例如$\text{IA}$族:$\text{H,Li,Na,K,Rb,Cs,Fr}$,原子半径依序递增。

周期表与化合价

对于主族,最大化合价等于族数(因为最多把最外层电子都失去)。

一般元素的最大正价与最小负价的绝对值相加等于$8$。

注意金属均为正价。

因此$\text{Na,K,Li}$等金属仅有$+1$价。

金属活动性与非金属活动性(还原性与氧化性)

见图。

65nTeO.png

图中越往红色箭头方向,金属活动性、还原性越强。

越往绿色箭头方向,非金属活动性、氧化性越强。

氧化性和还原性见氧化还原反应。

氧化还原反应

定义

在化学反应中发生了电子的转移,就叫氧化还原反应。

所有置换反应都是氧化还原反应,例如:

就是一氧化还原反应。

由于肉眼直接不可观察到电子的转移,因此我们借助了化合价来表示电子的转移,失去电子显正价,得到电子显负价。

因此化合价发生升降的化学反应是氧化还原反应

氧化剂、氧化产物、还原剂、还原产物

氧化剂有氧化性,降价失去电子被还原,生成还原产物。

还原剂有还原性,升价得到电子被氧化,生成氧化产物。

可以简单记忆为「还原剂升失氧,氧化剂降得还」。

双线桥和单线桥

双线桥:利用两箭头指定还原的情况和氧化的情况以及之间的得失电子。例如描述氧化还原反应

的时候,可以使用下面的来表示:

65luvR.gif

这里电子前面的乘法算式$a\times b$,其中$a$表示原子数,$b$表示化合价升降数。这里的箭头的起止点都应为具体的原子。

借助双线桥,很容易可以看出氧化产物,还原产物,氧化剂,还原剂(这里化合价省略不标,否则更加清楚)。

单线桥:直接转移电子,还是上面的反应:

6516w6.gif

这就是单线桥的表示。

氧化还原反应化学方程式的配平

普通方程式

由于电子总数不变,电子仅仅发生的是转移,因此可以得到化合价升降守恒。因此仅仅需要借助化合价的变化的比例可以确定分子的系数比例,从而配出重要步骤。

注意由于一些反应,有些化合物中的氧化剂或者还原剂仅有部分参与氧化还原反应,因此这里在先确定等号左边一些化合物的系数,有$30\%$的几率行不通。从而可以先确定等号右边化合物的系数。

下面我们以配平方程式

为例子来演示一般氧化还原反应方程式的配平。

第一步 标注化合价

分别标注每一原子的化合价,从左往右分别为

左右的原子对应化合价的表如下:

原子左边化合价右边化合价化合价变化量$\Delta$
$\text{K}$$+1,+1$$+1$$0$
$\text{I}$$-1$$0$$+1$
$\text{Mn}$$+7$$+2$$-5$
$\text{O}$$-2,-2$$-2,-2,-2$$0$
$\text{H}$$+1$$+1$$0$
$\text{S}$$+6$$+6$$0$

因此可以知道$\text{I}$的化合价升了$1$价,$\text{Mn}$的化合价降了$5$价,其余没有变化。

那么$\text{I}_2$升了$2$价,$\text{MnSO}_4$的化合价降了$5$价(注意这边分析的是物质的化合价升降)。

由化合价升降守恒,$\text{I}_2$的系数应配$5$,$\text{MnSO}_4$的系数应配$2$。

第二步 接着处理

$5\text{I}_2$有$10$碘原子,因此$\text{KI}$配$10$。

$2\text{MnSO}_4$有$2$锰原子,因此$\text{KMnO}_4$配$2$。

那么总有$10+2=12$钾原子,因此$\text{K}_2\text{SO}_4$配$6$。

从而有$6+2=8$硫原子,从而$\text{H}_2\text{SO}_4$配$8$。

因此有 $2\times 8=16$氢原子,从而$\text{H}_2\text{O}$配$8$。

最后验证氧原子:

满足条件。

第三步 整理答案

最后的方程式为

配平完毕。

离子方程式

配平离子方程式,除了需要运用化合价升降守恒,还需要应用一守恒定律——电荷守恒。

需要注意的是,根离子带的电荷等于其所有原子化合价之和。例如$\text{H}^+$显$+1$价,$\text{SO}_4^{2-}$显$-2$价。在标注化合价的时候需要注意。

例如配平下面的离子方程式:

首先写出化合价的对照:

原子 左边化合价 右边化合价 化合价变化量$\Delta$
$\text{Cl}$ $+5,-1$ $0$ $-5,+1$
$\text{O}$ $-2$ $-2$ $0$
$\text{H}$ $+1$ $+1$ $0$

由化合价升降守恒,$\text{ClO}_3^-$应配$1$,$\text{Cl}^-$应配$5$,从而$\text{Cl}$有$6$个。因此$\text{Cl}$配$3$。

注意到右边没有离子,因此左边电荷的和为$0$。

目前$\text{ClO}_3^-$与$\text{Cl}^-$的电荷总和为$-6$,因此得有$6$个正电荷。所以$\text{H}^+$配$6$。于是$\text{H}_2\text{O}$配$3$。

本题比较容易,不需要用电荷守恒即可,但是一些比较难的必须要用电荷守恒。本题是利用电荷守恒配水的系数的。

因此最后的方程式为

化学反应中的强制弱规律

越来越差啊——

简单的来说,就是反应后的生成物相对于反应物的某些性质都要弱。

氧化性与还原性

对于氧化还原反应,氧化剂的氧化性要大于氧化产物,还原剂的还原性要大于还原产物。

例如氧化还原反应

其中$\text{Na}$是还原剂,其还原性大于还原产物$\text{H}_2$;$\text{H}_2\text{O}$是氧化剂,其氧化性大于氧化产物$\text{NaOH}$。

因此判断氧化还原反应是否有可能发生,可以先看氧化性或还原性的强弱。

酸性与碱性

类似氧化还原反应中的氧化性与还原性,酸性与碱性同样有区别。

例如下面的反应

就是硫酸去制备酸性较低的碳酸的例子。

如何逆转化学反应?

最为利用的方法是通电,例如电解水的反应:

就是把氢气与氧气点燃生成水的反应逆转的方法。

反应顺序的问题

原则:先于能力强的物质反应。

例如:$\text{Na}$的还原性大于$\text{Zn}$的还原性,在与$\text{H}_2\text{SO}_4$发生置换反应的时候,硫酸先与$\text{Na}$反应,再与$\text{Zn}$反应。

考虑反应顺序也是判断化学反应是否成立的方法之一。

酸碱盐拓展

碳酸钠与碳酸氢钠——探究反应中发生了什么

硫酸与硝酸

金属拓展

钠及其化合物

利用化学方程式求解比例(注意多种情况)

铝及其化合物

铁及其化合物

符号的变换

分子式的叠加

方法:分子式叠加成一些分子式,这些具有相同性质

例如$\text{Fe}_3\text{O}_4$,有

因此其具有氧化铁和三氧化二铁的一切化学性质。

另外,由于下面的内容,我们可以得到一些有用的东西。

化学方程式的相加

任意两化学方程式相加得到的化学方程式一定正确。

对于分子式叠加的化合物,其与其它东西的反应等于其叠加的分子式表示的化合物与之反应的产物的总和。

例如我们知道下面两方程式

由于

所以

由此可以得到很多的化学方程式。

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